噪聲干擾對被動聲吶系統的影響及仿真分析

唐建生，皇甫立

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噪聲干擾對被動聲吶系統的影響及仿真分析

唐建生，皇甫立

(水聲對抗技術重點實驗室，北京100094)

在從信號處理的角度，就干擾信號對被動聲吶系統的目標信號檢測、目標方位估計、接收系統飽和等方面的典型情況進行了仿真分析，定義了噪聲掩蓋比、方位偏離度、噪聲阻塞級等參數，用以表征干擾信號對被動聲吶系統的影響，并給出了典型的仿真結果。

被動聲吶系統；噪聲干擾；噪聲掩蓋比；方位偏離度；噪聲阻塞級

0 引言

被動聲吶系統通過檢測目標的輻射噪聲發現目標，進而實現對目標的參數估計，是水下探測目標的重要手段。被動聲吶系統本身不發射聲波，不會暴露被動聲吶系統的安裝平臺(或地理位置)，所以被廣泛應用于海洋預警探測、艦艇被動聲吶、魚雷被動自導等[1,2]。

噪聲干擾是指通過發射干擾噪聲信號，阻礙被動聲吶系統對目標信號的檢測和參數估計，是對抗被動聲吶系統的手段之一[3]。已有的研究從被動聲吶方程出發，從能量的角度對干擾被動聲吶系統的原理進行了深入分析[4]，給出了噪聲干擾對被動魚雷自導系統的作用區域，為干擾手段的使用提供了依據。

本文從信號處理的角度，分析了噪聲干擾對被動聲吶系統各個環節的影響，分別就幾種典型的干擾情況定義了噪聲掩蓋比、方位偏離度、噪聲阻塞級等參數，用以表征干擾信號對被動聲吶系統的影響，并給出了典型的仿真結果。

1 被動聲吶系統的組成

被動聲吶系統一般由水聲信號接收基陣、信號預處理、波束形成、后置功能實現和顯控等五個部分組成，圖1給出了處理框圖。

水聲信號接收基陣由多個水聽器組成，水聽器將水下聲壓信號轉換為電信號，是被動聲吶系統的輸入端。

抗混迭濾波器是一種低通濾波器，其功能是濾除高于1/2采樣頻率的頻率成份。這樣，在A/D轉換過程中，就不會發生頻率混淆現象。在實際聲吶工作過程中，接收基陣輸出的信號電平會存在很大波動，從弱的幾微伏到強的幾百毫伏。為了避免在接收弱信號時某些電路不能正常工作而丟失信號，而在接收強信號時，造成電路的過載阻塞(非線性失真)，因此，信號放大增益不能是固定值。自動增益控制(Automatic Gain Control, AGC)根據輸入的信號電平，動態調節信號的放大增益，使輸出的信號電平在可接受的范圍內。

波束形成是一種空間濾波技術，通過對空間上位置不同的多個陣元的接收信號加權處理，實現對特定方向目標信號的接收，同時抑制來自其它方向的信號和噪聲，以提高接收信噪比。

根據波束形成的輸出，首先判斷是否有目標信號存在，如果有目標則估計目標存在方位，并分析目標的聲信號特征，實現對目標的分類識別。將以上后置處理結果進行顯示，并可以由操作人員控制，改變顯示的頻段、幅度等。

2 噪聲干擾被動聲吶系統原理分析

被動聲吶系統一般僅具有定向能力，在某一波束觀察區域內，對干擾前、干擾后、以及同時有干擾和目標時三種情況分別討論：

(1) 干擾前，被動聲吶系統僅接收到環境噪聲，此時環境噪聲是被動聲吶系統觀察目標的背景噪聲。

(2) 干擾后，在干擾所在波束扇面內，被動聲吶系統接收到環境噪聲和干擾器的輻射噪聲。此時，干擾器在被動聲吶系統中作為一個目標處理，應滿足

其中：SL和TL分別表示干擾器的聲源級和傳播損失；表示探測系統的指向性指數；為背景噪聲；是檢測閾。

為了達到干擾效果，一般有SL－TL＋>>，因此干擾的輻射噪聲成為了被動聲吶系統的背景噪聲。

(3) 同時有干擾和目標時，被動聲吶系統在干擾器輻射噪聲的背景上，加上目標的輻射噪聲信號。聲吶系統能否檢測到目標，決定于聲吶系統輸出端的信號和噪聲功率比。此處由于干擾的輻射噪聲成為背景，同時由于聲吶系統對干擾器和目標都有增益，因此聲吶系統能否檢測到目標只決定于到達聲吶系統接收端的信號和干擾能量比。一般地，在聲吶輸出端信號能量應大于背景噪聲(此處為干擾)才能實現一定概率的檢測；同理，在聲吶輸出端背景噪聲(此處為干擾)能量大于信號時就可以實現對信號的遮蔽，即干擾成功。

3 噪聲干擾對被動聲吶系統的主要影響

根據噪聲干擾信號的強弱以及實現的干擾效果，噪聲干擾可以分為：

(1) 干擾目標檢測

使背景噪聲級增大，降低信噪比，干擾被動聲吶系統對目標的檢測。

(2) 干擾參數估計

干擾被動聲吶系統對目標的定位、識別和跟蹤。

(3) 接收系統飽和

干擾信號足夠大，使被動聲吶系統的傳感器出現非線性飽和，被動聲吶系統完全不能正常工作。

(4) 物理損傷

噪聲干擾信號足夠大，使被動聲吶系統的物理組成部分發生物理損傷，被動聲吶系統徹底喪失工作能力。

實現傳感器飽和及物理損傷所需的聲能量非常大，實現起來比較困難，目前的水聲對抗技術以實現干擾目標檢測和參數估計為主。近年來，水下強聲技術得到重視并不斷發展，為實現傳感器飽和和物理損傷提供了技術途徑。

4 仿真分析

4.1 仿真條件

設定一個64元均勻線列陣，陣列間距按照500 Hz的半波長布置，處理頻段為5~500 Hz。仿真產生艦船輻射噪聲作為目標信號。艦船輻射噪聲譜在20~200 Hz頻段內存在兩根線譜，線譜強度相差5 dB，最大線譜強度為140 dB，200~500 Hz范圍內的艦船航行噪聲按-6 dB/oct衰減，設定200 Hz處的譜級為130 dB。艦船輻射噪聲仿真如圖2所示，線譜設定在50 Hz和150 Hz處。

仿真產生的海洋環境噪聲在100 Hz后按-6 dB/oct衰減，考慮1000 Hz處的譜級為64 dB。海洋環境噪聲仿真如圖3所示。

干擾源信號采用高斯白噪聲進行仿真，設定5~500 Hz頻段內聲源級為160 dB。

4.2 干擾目標檢測

當目標和干擾不在同一波束時，噪聲干擾通過對目標波束的能量泄漏實現對目標檢測的干擾，圖4給出了干擾和目標的相對位置關系。

此時，目標方向的能量輸出為

干擾方向的能量輸入為

定義噪聲掩蓋比

表示方向的干擾對方向目標的掩蓋比。

干擾對信號的掩蓋區域可以表示為

式中，為能實現掩蓋的最小分貝值。

圖5給出了仿真結果，干擾前目標檢測的背景噪聲是環境噪聲的輸出，干擾后是干擾在旁瓣的泄露值，從而干擾了對目標信號的檢測。

4.3 干擾目標方位估計

當目標和干擾在同一波束時，被動聲吶系統估計的目標方位將偏離真實的目標方位，從而影響對目標方位的估計。圖6給出了干擾和目標的相對位置關系。

此時聲學系統估計目標方位將指向干擾方位和目標方位的等效中心，如圖7所示。等效中心與目標和干擾的方位和能量有關，可以用下式表示目標方位估計的偏離。

圖8給出了仿真結果，干擾后估計的目標方位偏離了目標的真實方位值，而是指向了干擾方位和目標方位的等效中心。

圖8 干擾信號方位、信號真實方位和估計的信號方位的仿真結果

Fig.8 Estimated signal direction and real directions of interference and signal from simulation

4.4 接收系統飽和

當干擾信號足夠大時，超過了被動聲吶系統前置信號處理(包括前置放大器、自動增益控制AGC等)的動態范圍，使得接收系統無法正確實現A/D轉換，從而無法感知目標信號。

以噪聲干擾裝置距離接收系統1000 m為例，假設陣元接收靈敏度為-180 dB時，要使得接收系統飽和需要滿足：

66+20 lg (5v/100)+180=220 dB

5 結束語

本文從信號處理的角度分析，就干擾信號對目標信號檢測、目標方位估計、接收系統飽和等方面的典型情況進行了仿真分析，并引入噪聲掩蓋比、方位偏離度、噪聲阻塞級等參數，用以表征干擾信號對被動聲吶系統的影響。本文僅對干擾被動水聲探測系統部分內容進行了分析，比如在干擾參數估計方面還可以分析對目標識別、目標運動參數估計等的影響。

[1] Burdic W S. Underwater Acoustic System Analysis (2nd ed.). Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1991.

[2] 李啟虎. 聲吶信號處理引論[M]. 2版. 北京: 海洋出版社, 2000.

LI Qihu. Introduction on sonar signal processing[M]. 2nd ed. Beijing: Ocean Press, 2000.

[3] 皇甫立. 新形勢下我國水下信息對抗技術和裝備發展方向的探討[J]. 艦船論證參考, 2000, 103(3): 13-15.

HUANG Fuli. Discussion on the development direction of underwater Warfare Technology and equipment under the new situation[J]. Ship Demonstration reference, 2000, 103(3): 13-15.

[4] 陳春玉. 反魚雷技術[M]. 北京: 國防科技出版社, 2006.

CHEN Chunyu. Anti-torpedo technology[M]. Beijing: National Defense Science and Technology Press, 2006.

Effect of noise interference on passive sonar system and simulation analysis

TANG Jian-sheng, HUANG Fu-li

(Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory, Beijing 100094, China)

In the paper, several typical effects of noise interference on passive sonar system are analyzed via signal processing method, which concern the key procedures of underwater passive sonar system, such as signal detection, DOA(Direction Of Arrival) estimation and system saturation. Three indices are introduced to evaluate the noise interference effects including the power ratio of signal to jammer, the error of estimated DOAand the block interference power. Simulation results that demonstrate the effect are given.

passive sonar system; noise interference; the power ratio of signal and jammer; the error of estimated DOA; the block interference power

TB556

A

1000-3630(2015)-05-0395-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.05.003

2014-12-25;

2015-03-10

唐建生(1978－), 男, 陜西寶雞人, 高工, 工學博士，研究方向為水聲工程。

唐建生, E-mail: tjsnpu@163.com